物料衡算过程

1、 化工消费安装设计中所涉及的工艺计算包括物料衡算、热量衡算和设备工艺计算三个方面。高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 3.1 物料衡算的根本知识3.1.1 物料衡算的定义、 类型、作用及实际根据 定义 指根据各种物料之间的定量转化关系对进出整个消费安装、 消费工序或单台设备的各股物料的数量及组成进展平衡计算,它是在工艺流程确定后最先进展的工艺计算。. 作用 物料衡算是整个工艺设计中非常重要的环节,有很重要的作用。高分子工程设计Design of Polymer Engineering, S

2、haanxi University of Technology 为热量衡算、设备工艺计算、管道计算、辅助工序及公用工程设计计算、消费本钱核算等提供根据。 在确定消费安装由几条消费先组成以及工艺参数确实定中起着非常重要的作用。 是指点消费过程的重要根据。 类型 按计算范围分为单元操作(或单个设备)的物料衡算和全流程(包括各个单元操作的全套安装)的物料衡算;按操作方式分为延续操作的物料衡算和间歇操作的物料衡算;此外,还有带循环过程的物料衡算。. 对于没有化学反响的消费过程来说,质量守恒定律:物料进入量=物料分开量+安装内积累量+过程损失量高分子工程设计Design of Polymer Engin

3、eering, Shaanxi University of Technology 对于有化学反响的消费过程来说,质量守恒定律:物料进入量=物料分开量+反响耗费量+安装内积累量+过程损失量。注: 对于没有化学变化及物理化学变化的密封设备或工序如泵、换热器等可不进展物料衡算; 对于只需物料损失的设备或工序如切粒机、打包机等可只做总物料衡算; 对于有化学变化或物理化学变化的设备或工序如反响器、精馏塔、蒸发器、结晶器、枯燥安装等不仅要进展总物料衡算还要对各组分及组成分别进展物料衡算。 实际根据 物料衡算的实际根据是质量守恒定律。.高分子工程设计Design of Polymer Engineering

4、, Shaanxi University of Technology 流量3.1.2 物料衡算的根本概念单位时间内物料流过设备的数量,如质量流量、体积流量产量单位时间内消费安装消费出产品的数量,如年产量、月产量、 日产量等耗费量消费单位数量产品所需原资料的数量损失量消费单位数量产品损失掉原资料的数量纯度物料中含主要成分的百分比配料比进入消费安装的各种原料之间的比例关系,如质量比、 摩尔比转化率反响物参与反响的百分率单程收率消费为目的产物的反响物数量占反响物起始数量的百分比,等于转化率乘以选择性回收率副产物或未参与反响的反响物经处置后可以重新利用的百分比选择性生成目的产物的反响物数量占参与反响的

5、反响物数量的百分比.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 3.1.3 计算基准及单位 在进展物料衡算时,普通不同的操作方式、不同的计算目的,对应选择的计算基准以及确定的计算单位不同。 延续消费过程 整套消费安装的操作形状不随时间的变化而变化,属于定态操作过程,普通选时间为计算基准,对应计算单位为Kg/h 、 Kmol/h 、 m3/h等。.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 间歇消费过程

6、 物料都是一批批参与消费安装进展加工处置的,属于非定态操作过程,普通选批为计算基准,对应计算单位为Kg/B 、 Kmol/B 、 m3/B 。 原料耗费计算、本钱核算 可以单位产品数量作为计算基准。.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 3.1.4 计算步骤 画出物料平衡关系表示图 在了解工艺操作过程的根底上,根据工艺流程草图画出物料平衡关系表示图。其中,设备或工序可用方框表示、无物料变化的设备或工序可省去不画、图中应阐明物流号、称号及流向。 注明变化过程 明确物料在个设备或工序中发生的化学

7、变化及物理化学变化,写出主、副反响方程式 。.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 搜集数据资料 消费规模、 消费时间、 相关技术目的(如原料耗费量、各设备损失量、配料比、循环比、回流比、转化率、单程收率、回收率等) 、质量规范(原料、助剂、中间产物和产品规格、组成及相关物理化学常数) 、化学变化及物理化学变化的变化关系。 选择计算基准及计算单位 整个计算过程应坚持计算基准与计算单位一致,防止出错。有时根据特殊需求部分工序或设备可另设计算基准及单位,最后要求进展单位换算建立各工序或各设备之间

8、正确的物料时间平衡关系。.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 确定计算顺序 对于已有消费安装进展的标定或挖潜改造做的物料衡算,可直接采用顺流程计算。 对于待建消费安装的工艺设计,先将产量换算成单位时间处置原料量,然后采用顺流程计算。 对于复杂的消费过程,可先将消费过程分解到工序并对各工序进展物料衡算,然后将各个工序分解到各个设备并进展物料衡算。 对于简单的消费过程可直接对整套安装中的各个设备进展物料衡算。.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaa

9、nxi University of Technology 展开计算 根据所搜集的数据资料及选择的计算基准和单位,按照确定的计算顺序运用化学、化工及物化知识(如质量守恒定律、化学计量、组分数量分率约束式、设备约束式(包括进料比、相平衡关系、化学平衡关系、转化率和选择性等),逐个工序、逐台设备建立物料平衡关系式,进展物料平衡计算。 整理并校核计算结果 对每个工序或设备进展物料衡算后必需立刻根据约束条件对计算结果进展校核,确保计算结果正确无误。当计算全部终了后必需及时整理、 编写物料衡算阐明书(包括数据资料、计算公式、全部计算过程及计算结果等).高分子工程设计Design of Polymer En

10、gineering, Shaanxi University of Technology 绘制物料流程图,编写物料平衡表 物料流程图及物料平衡表是阐明物料衡算结果的一种简捷而明晰的表示方法,它们可以清楚地表示出各种物料在流程中的位置、 数量、 组成、 流动方向、 相互之间的关系等。 物料衡算终了后，必需利用计算结果对全流程进展经济分析与评价、调查消费才干、消费效率、消费本钱等能否符合预期的要求，物料耗费能否合理，工艺条件能否适宜等，同时及时发现和处理流程设计中存在的问题。.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Te

11、chnology 3.2 延续消费过程的物料衡算 对反响比较简单或仅有一个反响且只需一个未知数的情况可直接求算；对反响比较复杂，物料衡算应依物料流动顺序分步进展。 直接求算法 利用结点进展衡算 在化工消费中常有某些产品的组成需求用旁路调理才干送往下一个工序的情况，可采用结点进展衡算如图3-1所示。.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 消费过程中常有不参与反响的物料，即惰性物料。由于这种惰性物料数量在反响器的进出物料中不变化，因此可利用它与其它物料在组分中的比例关系求取其它物料的数量，此惰性

12、物料为衡算联络物。 利用联络组分进展物料衡算图3-1 结点.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 3.3 间歇消费过程的物料衡算 必需建立时间平衡关系，防止呵斥设备之间消费才干大小相差悬殊的不合理情况。搜集数据时要留意整个任务周期的操作顺序和每项操作时间；把一切操作时间作为时间平衡的单独一项记录，进展时间平衡时需思索不平衡系数。可根据消费周期的每项操作时间分析影响提高消费效率的关系问题。 在化工消费中，循环过程比较多见，如部分产品的循环如回流 、未反响原料分别后循环再利用等。目的是维持操作。

13、控制产质量量。降低原料耗费。提高原料利用率等。3.4 循环过程的物料衡算.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 3.4.1 典型稳定循环过程 图3-2为典型的稳定循环过程。表示将再循环流包括在内的整个过程表示新颖原料F与循环物料R混合后的物料同进入工艺过程的总物料流间的物料平衡表示工艺过程的物料平衡总进料与总产物流间的平衡表示总产物流与它被分别后所构成的净产品流P和循环流R间的平衡图3-2 典型的稳定循环过程.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Sha

14、anxi University of Technology 3.4.2其它类型循环过程 净化循环过程、旁路流程过程、双循环过程、多循环过程、循环圈相套过程以及复杂循环过程。图3-3(a)和3-3(b)分别为净化循环过程和旁路流程过程。图3-3 其它类型循环过程.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 3.5 物料衡算例如例1、PET延续聚合反响过程的物料衡算 本聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)延续操作工艺是采用高纯度对苯二甲酸PTA与乙二醇EG为原料，直接酯化后经缩聚反响得到PET 。单条消费线

15、每年可消费10万吨PET,这条消费线主要由浆料配制工序、聚合工序、切粒包装工序、回收工序四个工序组成。其中,图3-4为聚合工序的工艺流程草图，图中没有全部画出次要设备和次要物料管线。.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 图3-4 PTA直接酯化缩聚延续操作工艺流程草图.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 一、画出物料平衡关系表示图 完好PET延续操作工序的物料衡算过程比较复杂，为了阐明

16、问题，只对流经反响器的物流进展物料衡算，流经反响器物料平衡关系简图,如图3-5所示 。 图3-5 PTA直接酯化缩聚延续操作主反响器物料平衡关系表示图.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 二 、明确物料发生的化学变化与物理化学变化，写出主、副反响方程式化学变化。PET合成过程中,每个反响器中都发生酯化反响、酯化缩聚反响和缩聚反响,其反响方程式(用官能团表示)如下:酯化反响:.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University o

17、f Technology 酯化缩聚反响:缩聚反响:.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 为了描画各反响进展的程度特做如下定义:酯化率:缩聚反响程度:乙二醇与PTA摩尔比:平均聚合度:.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 物理化学变化相变化。在各酯化釜中，由于反响温度高于水和EG的沸点,酯化生成的水被蒸出反响体系。根据气液平衡关系，反响液中仍含有少量的水,水蒸出时夹带出一定比例的EG,

18、蒸出的EG经分别后全部前往到反响器中，因此各酯化反响器中原料配比不变,即MrMr0 。 在缩聚反响釜中，为了使缩聚反响向生成聚合物的方向挪动，需尽量降低反响液中EG的含量，因此,缩聚阶段特别是反响后期，需在高真空的条件下进展, 各缩聚釜中生成的EG大部分被蒸出，使Mr Mr0 。.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 三、搜集数据资料消费时间。年任务日：336d/a24h/d消费规模。设计义务书中规定的年产量为10万吨相关技术目的工艺配方： 催化剂用量：c=0.05WtPTA 消光剂用量：d

19、0.5WtPTA配制成20EG混合浆液 投料配比：M r0NE0:NT0 1.12 切粒、包装工序物料损失率：e=0.5质量规范略.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 化学变化及物理化学变化的变化关系 因各反响器中发生的主要化学反响一样,反响的进展程度(x、p)不同,因此,各反响器中物料组成变化的计量关系是一样的。各反响器反响液中聚合物数量为:各反响器反响液中乙二醇数量为:酯化反响生成水数量为:.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi U

20、niversity of Technology 各酯化釜中水、EG的汽化量和反响液中残留量参考表3-1计算各缩聚釜蒸出EG数量为:四、选择计算基准与计算单位 延续操作过程，可选择时间为计算基准，计算单位为kg/h表3-1 各酯化釜中水、EG的汽化量和反响液中残留量.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 六、计算主要原料(PTA )投料流量五、确定计算顺序 可得到产品产量与主要原料PTA投料量之间的比例关系，宜采用顺流程的计算顺序。PET熔体流量与PTA实际投料WT的关系为:.高分子工程设计D

21、esign of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 该消费安装年产量为10万吨,年开工336d,延续消费,切粒、包装工序物料损失率为0.5%,因此PET熔体流量为:PTA实践投料质量流量为:PTA实践投料摩尔流量为:.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 七、顺流程逐个设备展开计算 R101物料衡算 图3-6为 R101物料平衡表示图。101.0.高分子工程设计Design of Polymer Engineering

22、, Shaanxi University of Technology 101.2101.3101.1.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology .高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology R102物料衡算 图3-7为 R102物料平衡表示图。102.2102.30.9.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Techn

23、ology 102.1.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology R201物料衡算 图3-8为 R201物料平衡表示图。 在R201中参与消光剂EG溶液(003.1)。由于抽真空会有少量聚合物被夹带出使201.1中的NT0减少为NT0,同时夹带出极少量的消光剂和催化剂。003.1(20%消光剂-EG混合浆液).高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 201.1.高分子工程设计Design of

24、Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 201.2.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 202.1 R202物料衡算 图3-9为 R202物料平衡表示图。 在R202中由于抽真空会有少量聚合物被夹带出使201.1中的NT0减少为NT0,同时夹带出极少量的消光剂和催化剂。.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 202.2

25、.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology R203物料衡算 图3-10为 R203物料平衡表示图。203.1203.2.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 计算出的203.1数量与开场时求出的PET熔体的流量一样,阐明物料衡算的整个过程是正确的。 八、绘制物料流程图,编写物料平衡表(见图3-11,表3-2).高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Sha

26、anxi University of Technology 图3-11 物料流程图.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 表3-2 物料平衡表.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 例2、丙烯酸反相悬浮聚合间歇操作过程的物料衡算 丙烯酸反相悬浮聚合制备高吸水树脂的消费过程主要由原料预备工序、聚合工序、分别工序、聚合物后处置工序组成。本例中只对聚合工序做物料衡算，其工艺流程草图见图3-12。

27、图3-12 丙烯酸反相悬浮聚合间歇操作工艺流程草图.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 一、画出物料平衡关系表示图 对于物料数量和组成都没有发生变化的设备可不做物料衡算,因此表示图中可不画出T101 、T102 、P101 、P102 、P103等设备,如图3-13所示 。 图3-13 丙烯酸反相悬浮聚合间歇操作物料平衡关系表示图.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 二、明确物料发生的

28、化学变化与物理化学变化,写出主、 副反响方程式V101、V103、V104中是单纯物料混合，无相变与化学变化。 V102中75%的丙烯酸被中和,中和反响方程式如下: R101中引发剂引发单体进展聚合反响,其反响方程式如下:.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 三、搜集数据资料消费时间。年任务日：330d/a24h/d;间歇操作,V101 、V102 、 V103 、R101每天8批,V104每天1批。消费规模。设计义务书中规定的年产量为4000吨 相关技术目的(见表3-3)表3-3 相关技

29、术目的.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 化学变化参数。参与NaOH可以与丙烯酸完全反响，生成丙烯酸钠。各组分相对分子质量如下：质量规范。原料NaOH溶液浓度为50，其他原料均视为纯物质。其中：75%中和的丙烯酸单体混合物平均相对分子质量为： 72 0.2594 0.75=88.50 聚合反响过程中单体完全参与反响，转化率可视为100%，单体混合物与聚合物之间无化学计量上的变化，但引发剂结合到聚合物分子链上，会使聚合物数量略有添加。.高分子工程设计Design of Polymer En

30、gineering, Shaanxi University of Technology 四、选择物料衡算基准及计算单位 由于产物与原料之间化学计量关系比较简单，且整个工艺过程比较简单，容易得到产量与单体原料投料量之间的比例关系，所以采用顺流程的计算顺序。 间歇操作过程，基准为“批，单位为B/d。大部分设备的操作周期为8B/d，只需V104操作周期为1B/d。引发剂向R101进料周期为8B/d ，所以在做物料衡算时，物料M11的数量仍以8B/d计算。在做设备工艺计算时，V104的体积大小应按1B/d处置量进展计算。五、确定计算顺序.高分子工程设计Design of Polymer Enginee

31、ring, Shaanxi University of Technology 六、计算主要原料(丙烯酸)投料数量 该消费安装年产量4000t，年开工330d，每天消费8批，后处置中聚合物损失率2%。 引发剂(0.2%单体质量)全部结合到聚合物中 单体100%转化成聚合物,且单体的相对分子质量与聚合物构造单元相对分子质量一样 丙烯酸相对分子质量:单体平均相对分子质量=72:88.5.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 七、顺流程逐个设备展开计算 V102物料衡算 图3-14为 V102物料平

32、衡表示图。M1(原料丙烯酸)丙烯酸M4(30%NaOH溶液).高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology M6(45%单体溶液)M5(无离子水B).高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology V101物料衡算 图3-15为 V101物料平衡表示图。M4(30%NaOH溶液)=1743.49KgB%1M2(50%NaOH溶液)M3(无离子水A)=1220.44-523.05=697.39KgB-1.高分

33、子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology V103物料衡算 图3-16为 V103物料平衡表示图。 知正庚烷与单体配比为4:1,分散剂用量为2%单体质量。M7M8M9.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology R101物料衡算 图3-17为 R101物料平衡表示图。M10(待聚合液)=M4+M9M11(引发剂水溶液).高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaa

34、nxi University of Technology M12(聚合物混合液) V104(引发剂调配罐)物料衡算M13引发剂=M14H2O=.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 八、整理并校核计算结果 对如图3-18所示的聚合工序全面物料平衡计算,利用物料守恒定律进展校核。九、绘制物料流程图,编写物料平衡表(见图3-19,表3-4).高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 图3-19 物

35、料流程图.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 表3-4 物料平衡表.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 作业：. 试对年产量万吨的聚丁二烯橡胶延续聚合消费过程进展物料衡算,图为聚丁二烯的消费工艺流程草图。.高分子工程设计Design of Polymer Engineering, Shaanxi University of Technology 消费工艺流程草图简述：纯度符合要求的丁二烯和溶剂混合后，经预热器H201从釜底进入聚合釜F201，同时将配制好的催化剂也从釜底参与，发生聚合反响生成高顺式聚丁二烯橡胶，胶液由第一聚合釜顶部出来依次经过串联的聚合釜再入终止釜F 202，终止剂和防老剂按定量打入终止釜内。胶液经终止后进到混胶罐R201，再由胶液泵B201打入凝聚釜R202中进展凝聚。釜内通入大量蒸汽和循